Kvórum érzékelés

A hawaii kurtafarkú tintahal (Euprymna scolopes) a hasi oldalán egy különleges, specilizált ún. "fény-szervet" hordoz, amivel biolumineszcens fényt állít elő. Ez a fényforrás a garanciája annak, hogy az állat hatékonyan tudjon a mélyben élő ragadozói ellen védekezni.  Mivel a kibocsájtott fény intenzitását a tintahal a hátára érkező fény intenzitásának függvényében képes változtatni, a „fény-szerv“ kompenzálja a tintahal árnyékát, kvázi láthatatlanná téve őt az alsóbb vízrétegekben levő élőlények számára (5.13. ábra).

Kurtafarkú tintahal biolumineszcenciája

5.13. ábra: (A) A hawaii kurtafarkú tintahal hasi oldalán levő speciális szervében olyan baktériumokat hordoz, amelyek biolumineszcenciát képesek létrehozni. (B) A tintahal képes a biolumineszcencia erősségét a ráeső fényhez igazítani, aminek azért van jelentősége, mert így „nem vet árnyékot“ az alatta élő ragadozók felé.

A rendszer érdekessége, hogy a biolumineszcens fényforrást nem a tintahal saját sejtjei, hanem a fény-szervben élő szimbionta Gram-negatív baktériumfaj, a Vibrio fischeri egyedei biztosítják.

Ezek száma, vagyis egyedsűrűsége, azonban nem konstans, hanem ciklikusan változik a nap folyamán: éjjel, amikor fényt kell létrehozni sokan vannak, nappal azonban, amikor a tintahal a homokba húzódik, kevesen. (A változás annak köszönhető, hogy a hajnal közeledtével egy speciális nyíláson keresztül a tintahal a tengerbe pumpálja a fény-szerv bakteriális közösségének közel 95%-át. A maradék ugyanis épp elég ahhoz, hogy a nap leforgása alatt elszaporodva újratöltse a lakóhelyéül szolgáló kamrát.)

Mindez azért lényeges, mert a V. fischeri biolumineszcenciáját a bakteriális kommunikáció klasszikus példája teszi lehetővé. Ugyanis ezek a baktériumok nem folyamatosan hozzák létre a biolumineszcenciát, hanem csak akkor, ha elérnek egy kritikus tömeget.

Ezt a fajta kommunikációt, amikor a közösség az egyedsűrűségét igyekszik felmérni, kvórum érzékelésnek (quorum-sensing)nevezzük.

A folyamatnak, molekuláris komponenseit tekintve több különböző verziója létezik különböző baktérium fajokban, de lényegében mindegyik ugyanazon logika alapján működik: a baktériumok egy, szekretált szignál-molekulát, valamint annak a receptorát is termelik. Ha a receptorok telítettsége elér egy küszöbértéket (ami egyben azt jelenti, hogy a közegben rengeteg szignál-molekula, illetve azt előállító baktérium van), beindul a target-gének, például a biolumineszcenciát kialakítók átírása.

V. fischeri esete annyiban különleges, hogy a szignál, melyet a LuxI fehérje hoz létre egy olyan acilált homoserin lakton (AHL) molekula, amely diffúzióval is képes keresztüljutni a sejtmembránon, így nincs szükség sem szekréciós apparátusra a sejtből kijuttatásához, sem membrán-kötött receptorra az érzékeléséhez. Receptora citoplazmatikus és ha megköti az AHL-t akkor transzkripciós faktorként génaktivációt indukál (5.14A ábra).

Bakteriális kvórum érzékelés

5.14. ábra: Bakteriális kvórum érzékelő rendszerek. (A) A V. fischeri kvórumérzékelő rendszere membránon átdiffundálódó ligandot (AHL) tartalmaz. Ezt a LuxI fehérje hozz alétre és a LuxR intracelluláris receptor köti meg. A LuxR aktiválódása után bekpacsolja a biolumineszcencia gének átíródását. (B) A Gram-pozitív baktériumok kvórumérzékelő rendszere aktív transzportert és receptort tartalmaz a ligand környezetbe juttatására, illetve megkötésére. A ligand prekurzor formában jön létre és csak a sejtközi térbe való kijutás után veszi fel az aktív konformációját. A receptor egy hisztidin kináz, amely ligand megkötés után képes a sejtben levő regulátor fehérjéket foszforiláció révén aktiválni. Az aktivált regulátorok bekapcsolják a kvórumérzékelés válaszgénjeinek transzkripcióját.

Az utóbbi évtized során egyre nyilvánvalóbbá vált, hogy a kvórum-érzékelés nem a V. fischeri különlegessége. Számos egyéb baktérium működtet analóg rendszereket. Például egy másik Vibrio faj, a V. cholerae is logikailag hasonló (bár elemeiben különböző) rendszert használ, hogy a kolera-fertőzés során előbb kolonizálja a szervezetet, majd, ha a populáció egy kritikus egyedsűrűséget elért a bélrendszerben, eltávozzon onnan, új gazdát keresve (5.15. ábra).

A V. cholerae kvórum érzékelő rendszere, egy hisztidin-kináz receptor alapú ligandum megkötő rendszert alkalmaz. Ennek megfelelően a ligandum maga sem képes átjutni a membránon, semelyik irányba, így a külvilágba történő transzportjához is különleges fehérjékre van szüksége. A receptor aktiválása után egy citoplazmatikus receptor fehérje foszforilációját katalizálja, amely a célgénekhez kötve aktiválja azok átíródását. Ez a rendszer molekuláris komponenseit tekintve is sokban hasonlít a Gram-pozitív baktériumok kvórum érzékelő apparátusára (5.15. ábra).

Vibrio cholerae életciklusa

5.15. ábra: A kolera kórokozójának az életciklusa. A V. cholerae életciklusa során két alkalommal jut kitüntetett szerep a kvórumérzékelésnek. Először a külső forrásból gyomorba bejutó kórokozók körül levő biofilm lebontását segíti elő. Az így felszabaduló baktériumok képesek virulencia génjeik kifejezésére és kolonizálják a vékonybelet. Miután elérik a kritikus egyedszámot, a kvóroum érzékelés hatására olyan proteázok átíródása kezdődik el, amelyek a környezetbe jutva elpusztítják a bélhám sejtjeit, így fájdalmas véres hasmenést okoznak, ami egyúttal a környezetbe juttatja vissza a kórokozót.

A gyakorlat során a Vibrio fajokkal rokon Photobacterium fajt használunk, amely hasonlóan a V. harveyi-hez a kvórum érzékelés hatására fény bocsát ki. (A természetben a kardinálishalak fényszervében található.)

Egy hígítási sor segítségével megfigyelhetitek, miként kapcsol be a biolumineszcencia, amikor a populáció sűrűsége meghalad egy kritikus értéket.

Táptalaj:

LB + 2.5% NaCl